.Mécanismes Moléculaires de la Dépendance aux Stupéfiants

Par S. Bartolami      décembre 2004

Université Montpellier II

I- Introduction

La dépendance est un phénomène complexe lié à des altérations moléculaires et cellulaires dans le cerveau intoxiqué par les drogues. In fine, la dépendance se manifeste par des anomalies comportementales visant à la recherche et la consommation compulsives des drogues ; ceci malgré les conséquences néfastes qu’à la consommation chronique des stupéfiants sur la santé physique et psychique. En effet, outre la toxicité intrinsèque des drogues, celles-ci dégradent notoirement des besoins psychophysiologiques fondamentaux de l’individu que sont l’alimentation, la soif, la sexualité et les interactions sociales. La réalisation de ces besoins est basée sur la motivation pour l’obtention de plaisirs naturels et sur l’aversion pour des comportements préjudiciables. Physiopathologiquement, les drogues usurpent le fonctionnement du circuit neuronal qui normalement contrôle la motivation ou l’aversion des divers aspects de la nutrition, de la boisson, de l’activité sexuelle ou de la vie socio-affective. Outre le besoin de se droguer, l’emprise de la drogue est coriace car l’ex-toxicomane garde à très long terme, dans son cerveau, les stigmates d’une dépendance qui peut renaître même des années après l’accomplissement du sevrage de l’abus de drogue.

II- situation de la problématique

1- Bases anatomo-fonctionnelles de la motivation et de l’aversion. Le circuit neuronal en question est appelé circuit de récompense ou de renforcement car il associe à un comportement une sensation de plaisir ou d’aversion afin de motiver ou d’empêcher la reproduction du comportement selon la nature bénéfique ou néfaste de ce dernier. La base neurologique de ce câblage neuronal appartient au faisceau dopaminergique méso-cortico-limbique et à pour origine est un noyau du mésencéphale : l’aire tegmentale ventrale (ATV) d’où partent des axones innervant le cortex frontal et le système limbique. L’innervation dopaminergique concerne aussi le noyau accumbens (NAc) situé sous le striatum (donc aussi appelé striatum ventral) et constitué essentiellement (à 90%) de neurones gabaergiques et à dynorphine (un opiacé endogène, les 10% restant étant des interneurones). Du fait de leur morphologie, ces neurones sont nommés neurones épineux moyens (medium spiny neurones) et projettent leurs axones sur le thalamus, le striatum et le mésencéphale, mais aussi sur l’ATV permettant ainsi un rétrocontrôle par le NAc des influx qu’il reçoit de l’ATV. Enfin les neurones épineux moyens se connectent les uns avec les autres produisant un réseau complexe au sein même du NAc. (Figure 1). D’un point de vue fonctionnel, le NAc sert d’interface entre le système cortex préfrontal/système limbique (chargé de la cognition, l’affectivité, l’apprentissage et la mémoire) et le système moteur (cortex frontal, striatum et formation réticulée mésencéphalique) afin d’assurer la conversion de la motivation en une action (ou aversion en répression d’une action).

Une simplification un peu « caricaturale » du fonctionnement du circuit de renforcement est que le NAc est le berceau du processus de motivation/aversion, processus contrôlé par l’ATV et induit de la manière suivant : la motivation est provoquée par la stimulation de récepteurs dopaminergiques du NAc par la dopamine issue des neurones de l’ATV, alors que l’aversion est déclenchée par la réduction de la neurotransmission dopaminergique dans le NAc. Pour être complet, l’innervation dopaminergique émise par l’ATV est elle-même régulée par des opiacés endogènes (endorphine, enképhaline et dynorphine) qui agissent soit sur le soma neuronal dans l’ATV, soit sur la terminaison présynaptique dans le NAc afin de moduler la libération de dopamine. Ce rétrocontrôle par les opiacés endogènes assure un fonctionnement précis du circuit de récompense selon les stimulations que reçoit l’individu du monde qui l’entoure. En effet, certains opiacés endogènes (endorphines via les récepteurs opioïdes µ) renforcent l’activité des neurones dopaminergiques favorisant la motivation, alors que d’autres (dynorphine via récepteurs opioïdes k) abaissent l’activité de ces neurones favorisant l’aversion). Enfin, la réalisation cognitive de l’aversion et de la motivation a pour siège d’autres structures limbiques (hippocampe, amygdale) et le cortex préfrontal qui reçoivent des influx nerveux de l’ATV et du NAc. En retour, le complexe cortico-limbique projette des axones glutamatergiques sur le NAc et les neurones dopaminergiques et gabaergiques de l’ATV sont innervés par des terminaisons glutamatergique du cortex préfrontal. Cette innervation assure le contrôle cortical/conscient des comportements hédonistes et aversifs et évitant ainsi les conduites abusives et les déviances. Pour ce qui des manifestations somatiques de l’aversion/motivation, c’est l’hypothalamus qui les déclenche en stimulant les systèmes autonome (neurovégétatif) et endocrinien.

Figure 1 : schéma simplifié des connections multidirectionnelles entre les trois principaux éléments du circuit de renforcement et de sa modulation fonctionnelle par les opiacés endogènes : Au sein de l’ATV des interneurones à endorphine lèvent le frein gabaergique produit par d’autres interneurones sur les neurones dopaminergiques de l’ATV. Les neurones du NAc libèrent de la dynorphine sur le soma et la terminaison axonique des neurones dopaminergiques. DA : dopamine, Glu : glutamate, µ : récepteur opiacé µ, k : récepteur opiacé kappa.

Remarque : d’un point de vue évolutif (phylogénétique), l’innervation dopaminergique méso-cortico-limbique est très ancienne et est impliquée, dans une large part du règne animal, dans les réponses motivationnelles induites par la nourriture, la boisson, le sexe et les relations avec ses semblables. Cette caractéristique fournit un grand avantage pour étudier et comprendre le mode d’action des drogues en s’appuyant sur de nombreux modèles animaux qui offrent des possibilités d’investigations irréalisables chez la principale victime des drogues : l’humain (Figures 2 et 3). C’est donc grâce à des données obtenues chez l’animal que les connaissances actuelles relatives au problème complexe de la dépense ont été récemment révélées et sont en partie rapportées ici.

 

Figure 2 : l’innervation dopaminergique humaine est décrite en rouge depuis les 2 noyaux mésencéphaliques dopaminergiques : la substance noire qui innerve le striatum et est impliquée dans la régulation de la motricité et l’ATV qui innervent le NAc, le cortex préfrontal et le système limbique

Figure 3 : Schéma du faisceau dopaminergique méso-cortico-limbique (méso-télencéphalique) du rat (rouge), de l’innervation du NAc sur l’ATV (VAT) en bleu et de l’innervation du NAc par le système cortico-limbique (pointillés).

            2- Les drogues et le circuit de renforcement. Les nombreuses substances addictives (nicotine, alcool, cannabis, opiacés, stimulants...) divergent par leurs structures chimiques et leurs modes d’action sur une multitude de cibles moléculaires (voir cours sur le mode d’action de drogues). Cependant, toutes altèrent le fonctionnement du circuit de récompense en modifiant de manières variées, et plus ou moins directes, la neurotransmission dopaminergique entre les neurones de l’ATV et leurs neurones cibles du NAc et du cortex frontal. Ainsi, la neurotransmission peut être perturbée (1) par une élévation de l’activité électrique des neurones de l’ATV résultant en une augmentation de la libération de dopamine, (2) par une activation des neurones à opiacés endogènes qui innervent le NAc et l’ATV ou encore (3) par une action directe sur les neurones du NAc. Bien que de nombreuses découvertes restent à faire dans ce champ de recherche, il apparaît que ces trois groupes de mode d’action conduisent à une réduction de l’activité des neurones du NAc. En effet, la dopamine (dont la libération est accrue) et certaines drogues (THC, opiacés) stimulent des récepteurs postsynaptiques métabotropiques couplés à un système de transduction inhibiteur (récepteurs dopaminergiques « D2-like » (Figure 4) , récepteur cannabinoïde CB1 et récepteurs opioïdes m, d  et  k), en l’occurrence celui de la protéine Gi. Pour rappel, la protéine de couplage Gi inhibe l’enzyme adénylate cyclase (AC) responsable de la synthèse du 2e messager AMPc, lequel est nécessaire à l’activité phosphorylatrice de l’enzyme PKA (protéine kinase AMPc dépendante).

 

Figure 4 : La dopamine et ses récepteurs. La dopamine agit sur deux classes de récepteurs "D1-like" et "D2-like" qui sont tous deux métabotropiques mais qui ont des effets presque inverses : les D1-like (D1 et D5) sont couplés via Gs à l'adénylate cyclase et permettent la production d'AMPc qui déclenche de nombreuses réponses métaboliques dépendantes de la protéine kinase A ; citons en particulier la phosphorylation des canaux ioniques qui active les conductances Na+ et inhibe les courants K+, ce qui résulte en une excitation neuronale. Les D2-like (D2, D3, D4) sont couplés à Gi/o et inhibent la synthèse d'AMPc ; ce qui en particulier facilite l'ouverture de canaux K+ hyperpolarisant et donc inhibe les neurones. Ainsi, selon la nature de son récepteur, la dopamine stimule ou inhibe les neurones ; on ne peut donc pas lui attribuer un rôle global de neurotransmetteur inhibiteur ou excitateur.

La réduction par les drogues de l’activité neurochimique (phosphorylation) des neurones du NAc a vraisemblablement pour conséquence globale une activation des structures cérébrales supérieures – cortex frontal et système limbique – par un processus de levée d’inhibition. En effet, les neurones du NAc, cibles ultimes des mécanismes toxiques, sont des neurones GABAergiques. Leur inhibition induit une réduction du ²freinage² GABAergique exercé sur le complexe cortico-limbique et provoque donc indirectement une stimulation de celui-ci. Ainsi en biaisant le fonctionnement du circuit de récompense, les drogues dénaturent ²en bout de chaîne² les composantes cognitives et affectives de la motivation et de l'aversion.

La consommation des drogues produit une sensation de plaisir – effet hédoniste- qui, à l’instar des activateurs naturels du circuit de récompense, renforce la motivation. Le cercle vicieux est alors enclenché : l’activation toxicomaniaque du circuit de récompense incite à la toxicomanie et cette incitation se transforme peu à peu en un besoin majeur. Dans les grandes toxicomanies (héroïnomanie, alcoolisme...) ce besoin de drogue peut même devenir supérieur à tout autre besoin (alimentation, boisson, sexe, sociabilité), focalisant alors sur lui la majorité de l’énergie et de l’activité du toxicomane. La drogue a détourné le fonctionnement naturel du circuit de récompense/renforcement. Cette usurpation complète d’une fonction physiologique par les drogues s’explique par le fait que les stupéfiants les plus addictifs agissent sur le circuit de récompense avec plus de force et de persistance que les stimulants naturels précités. Le processus le plus névralgique de la toxicomanie, la dépendance, est alors atteinte à la suite de stimulations répétitives du complexe ATV-NAc. La toxicomanie devient un besoin compulsif stable car les fortes stimulations toxiques du circuit dopaminergique conduisent à de profondes et durables altérations des mécanismes de motivation/aversion.

3- Les caractéristiques de la dépendance en font un syndrome complexe à plusieurs facettes : psychique, somatique, mnésique, conditionnement, et sensibilisation (appelée aussi tolérance inverse). Ces divers aspects impliquent pas seulement le système ATV-NAc mais aussi les centres cognitifs frontaux et les structures limbiques liées à l’apprentissage, la mémorisation et la gestion du stress, sans oublier l’hypothalamus et les organes périphériques vecteurs de manifestations somatiques de la dépendance.

Aussi, la dépendance aux drogues, induite par la stimulation anormale et répétée du circuit de renforcement, ne se borne pas à ses composantes psychiques et physiques qui font de la recherche et de la consommation de drogue un besoin impérieux. Néanmoins ces deux composantes sont les plus évidentes car facilement soulignées par l’abstinence :. L’insatisfaction du besoin de drogue fait apparaître un trouble de l’humeur : la dysphorie. Ce trouble psychique est un état émotionnel négatif (en opposition à l’euphorie) associé à de l’anxiété et à un état déprimé. L’existence de dysphorie indique que la régulation de l’état émotionnel de l’individu par le complexe cortico-limbique et son innervation sérotoninergique (issue du raphé, voir cours sur les troubles anxieux) est affectée par la toxicomanie. En plus de la dysphorie, la non-satisfaction du besoin de drogue s’accompagne d’inconforts physiques qui peuvent s’aggraver douloureusement si l’abstinence persiste. Dans ce cas, le syndrome de sevrage (ou manque) se développe avec un cortège de troubles somatiques et psychiques dont l’état le plus paroxysmique est atteint avec le delirium tremens chez les grands alcooliques (voir cours sur le mode d’action des drogues). Les troubles somatiques du manque) montrent clairement que les drogues altèrent aussi les commandes centrales de l’organisme que sont l’hypothalamus, la formation réticulée, les systèmes neuroendocrinien et d’innervation autonome et somatomotrice. La dysphorie, seule ou associée à l’ensemble du manque provoque un fort taux de rechute dans la toxicomanie chez les individus abstinents.

Le conditionnement environnemental (ou rappel contextuel) est un autre aspect important du problème de la dépendance car ce paramètre cognitif est responsable des rechutes chez les individus sevrés de leur envie de se droguer depuis très longtemps. Même des années après le sevrage, le conditionnement environnemental peut activer le circuit de récompense et réveiller le besoin de drogue. Ce phénomène est lié à un apprentissage qui associe de manière extrêmement forte la drogue à son contexte de consommation (lieux, activités, entourage…). L’assimilation du contexte de consommation à la drogue est si puissant que l’apparition du contexte peut raviver, à lui seul, la motivation pour l’usage des stupéfiants en réactivant le réseau méso-cortico-limbique. Dans les cas les plus « spectaculaires », la réactivation contextuel du circuit de récompense peut faire apparaître des symptômes du manque. Le conditionnement environnemental est donc une acquisition cognitive et comportementale excessivement stable et durable ; acquisition qui ne peut pas s’expliquer par de simples variations de la libération de dopamine dans le NAc. Ce conditionnement nécessite de l’apprentissage et de la mémorisation, il implique donc le cortex cognitif (lobe frontal) et le système limbique. Au sein de ce dernier, ce sont en particulier les aires mnésiques (hippocampe et septum) qui sont affectés en profondeur par les drogues mais aussi l’amygdale, support de la dimension affective de ce conditionnement. Une preuve supplémentaire de l’impact de la dépendance aux stupéfiants sur l’amygdale est, qu’à l’image du conditionnement environnemental, le stress est un inducteur de la récidive dans la toxicomanie chez des individus sevrés de longue date (rappel : l’amygdale est un centre majeur contrôlant l’adaptation au stress, voir cours sur l’adaptation au stress).

La sensibilisation est un autre aspect de la dépendance. Il s’agit de l’intensification de la réaction de l’organisme à l’administration successive d’une même quantité de drogue. La sensibilisation est appelée aussi tolérance inverse par opposition à la tolérance. Pour rappel, la tolérance est un phénomène adaptatif, donc physiologique du système nerveux cherchant à se protéger de l’intoxication chronique par les drogues ; l’adaptation tolérante est surtout basée sur la désensibilisation des récepteurs synaptiques affectés par les stupéfiants. Il résulte de la tolérance une réduction de l’efficacité hédonistique des drogues et donc une augmentation des doses consommées par le toxicomane (N.B. certains auteurs considèrent que la tolérance fait partie intégrante du syndrome addictif). Concernant la sensibilisation, une précision s’impose : ce sont essentiellement les « effets secondaires » néfastes des stupéfiants (et non leurs effets hédonistes) qui s’accroissent avec leur consommation chronique. Un des exemple les plus connus est l’excitation motrice qui augmente avec le temps, à dose égale d’opiacés ou de psychostimulants, il en va de même avec certains aspects du manque. On conçoit donc aisément que la sensibilisation est un facteur aggravant de la dépendance puisqu’il incite le toxicomane à se droguer pour prévenir l’apparition de symptômes psychiques et physiques devenant de plus en plus drastiques. D’autre part, la sensibilisation est un phénomène dit « croisé » c’est à dire qu’une drogue peut sensibiliser à l’usage d’une drogue différente. De plus, une telle sensibilisation croisée existe entre les stupéfiants et le stress. Ces effets croisés prédisposent un toxicomane à la dépendance pour une autre drogue et le rendent également particulièrement vulnérable à la rechute après un sevrage. En effet, si le stress et le conditionnement environnemental favorisent la récidive toxicomaniaque (voir ci-dessus), la sensibilisation est, elle, amplifiée par le rappel contextuel. Dans un processus de potentialisation, l’impact de la sensibilisation s’ajoute alors à la stimulation environnementale.

            4- Des dérégulations persistantes du fonctionnement cérébral constituent donc un stigmate majeur de la dépendance aux stupéfiants puisque, même dans un état dormant, celles-ci demeurent dans l’encéphale très longtemps après la fin de l’intoxication. Cette stabilité de l’empreinte toxique implique des changements en profondeur dans des réseaux neuronaux complexes car intégrants des influx du circuit de récompense, du cortex préfrontal, du système limbique affectif et mnésique…Les recherches les plus récentes montrent que la plasticité cérébrale sous-jacente aux caractéristiques durables de la dépendance s’appuie sur des modifications de l’expression génique, du traitement post-traductionnel des protéines, de l’excitabilité membranaire (plasticité synaptique) et de l’architecture cellulaire du neurone. Le dynamisme de cette plasticité cérébrale permet donc d’acquérir des comportements toxicomaniaques compulsifs, de les mettre sous silence au long cours et de les réactiver brutalement sous l’effet de signaux environnementaux.

III- Modification de l’expression génique dans la toxicomanie

            Plus d’une centaines de protéines des régions cérébrales concernées par la toxicomanie subissent anomalies de toutes sortes. Parmi toutes ces protéines, le cas des facteurs de transcription est particulièrement intéressant car leur fonction cellulaire est de contrôler la transcription des gènes en ARN messagers. Pour ce faire, les facteurs de transcription se fixent sur des séquences réceptrices du promoteur du gène dont l’expression est à réguler. Aussi, une altération du fonctionnement de ces facteurs peut avoir des retentissements moléculaires et cellulaires qui interviendraient dans la longévité du syndrome dépendant. Deux facteurs de transcription ont été plus spécifiquement étudiés dans le cadre de la dépendance : CREB (cyclic AMP response element binding protein) et DFosB.

1- Activation de CREB et sa fonction transcriptionnelle sur des gènes cibles. La protéine CREB est localisée dans le noyau où elle demeure quiescente. Son activation résulte de sa phosphorylation (greffages de phosphore sur la protéine par des enzymes spécifiques : les kinases) par des kinases appartenant à plusieurs systèmes de transduction (rappel : un système de transduction est un ensemble de protéine interagissant en cascade pour transmettre à l’intérieur de la cellule, un signal extracellulaire détecté par un récepteur transmembranaire). Les kinases, utilisant CREB comme substrat, sont aussi bien de effecteurs de signaux délivrés à la cellules par des neurotransmetteurs (protein kinase A (PKA), Ca2+-calmoduline kinase (CaMK)) que par des facteurs de croissance et des neurotrophines (mitogen activated protein kinase (MAPK) et phophatidylinositol-3-kinase (PI3K)). Les messagers extracellulaires activent les signaux de transduction par leurs actions sur des récepteurs métabotropiques couplés à des protéines G lorsqu’il s’agit de neurotransmetteur et sur des récepteurs tyrosine-kinases (récepteurs possédant une activité kinase intrinsèque nécessaire à la mise en jeu de son système de transduction) lorsqu’il s’agit de mitogènes (neurotrophines et autres facteurs de croissance) (Figure 5)

 

Figure 5 : Schéma de synthèse des diverses voies de signalisations intracellulaires activées par des récepteurs métabotropiques et conduisant à la phosphorylation de CREB.

CREB phosphorylée s’associe alors à une autre protéine CREB phosphorylée pour former un homo-dimère qui est la forme active de CREB. Le dimère se lie alors au promoteur du gène cible au niveau d’un élément de séquence qui fait office de récepteur : la séquence CRE (cyclic AMP response element). Un autre partenaire se lie alors au dimère de CREB phosphorylés, la protéine CBP (CREB binding protein) qui est un co-activateur transcriptionnel nécessaire à l’expression des gènes dépendant de CREB (Figure 6). En effet, CBP possède une activité enzymatique (histone acetyltransferase) par laquelle la chromatine se déroule/se décompacte afin d’autoriser la synthèse des ARN messagers par les enzymes ARN polymérases (Figure 7) . De plus, c’est également CBP qui recrute les polymérases au niveau du gène cible. L’activité pro-transcriptionnelle de CREB s’achève avec sa déphosphorylation par une phosphatase (les phosphatases sont des anti-kinases qui enlèvent le phosphore des protéines).

Figure 6 : La phosphorylation de CREB permet sa dimérisation, sa fixation sur le site de liaison du promoteur et la mobilisation de CBP et de polymérases afin d’induire la transcription du gène cible. L’effet de CREB s’achève avec sa déphosphorylation par une phosphatase.

 

Figure 7 : L’Acétylation des histones par l’histone acetyltransferase (HAT) convertie la chromatine condensée en une structure plus relâchée en provoquant une diminution de l’affinité des histones pour l’ADN. Le déroulement de l’ADN permet son accès aux régulateurs transcriptionnels et aux ARN polymérases. L’histone déacétylase catalyse la réaction inverse. D’après Hsieh and Gage, Curr. Op. Gen. Dev. 2004 14 (5):461-9.

Voilà comment CREB, en formant un complexe protéique avec CBP et des polymérases, induit la transcription d’une multitude de gènes. Parmi ceux-ci, certains pourraient jouer des rôles majeurs dans les modifications neurologiques liées à la dépendance aux drogues. Il s’agit par exemple de gènes codant pour (1) des neuropeptides dont des opiacés endogènes et des neurohormones adaptatives au stress, (2) des récepteurs pour des neurotransmetteurs, (3) des enzymes de synthèse de la dopamine et de la noradrénaline (tyrosine hydroxylase et dopamine b hydroxylase), (4) des enzymes de systèmes de transduction, (5) des facteurs de croissance dont des neurotrophines et même (6) des facteurs de transcriptions dont CREB lui-même. En somme, autant de cibles moléculaires sur lesquelles les drogues peuvent agir, par l’intermédiaire de CREB, pour transformer la signalisation inter et intra-neuronale et la plasticité cérébrale.

2- Implication de CREB dans la dépendance. Parmi la multitude d’altérations potentielles que les drogues pourraient produire sur les processus cellulaires liée à CREB, il est maintenant clairement établi que l’activation de CREB par le système de signalisation AMPc/PKA est perturbée dans la toxicomanie. Ainsi, les opiacés se fixent sur des récepteurs couplés à la protéine Gi entraînant une inhibition de l’AC et par conséquence une chute de la synthèse d’AMPc. Il en découle une réduction importante de l’activité phosphorylatrice de la PKA et donc une désactivation indirecte de CREB par manque de phosphorylation. Avec la chronicité de l’exposition aux opiacés, se développe une réponse compensatrice au niveau cellulaire : Une élévation endogène du niveau de fonctionnement du système AMPc/CREB. Celle-ci est réalisée par une sur-expression de l’AC et de CREB (Figure 8). Les effets de ces sur-expressions sont particulièrement documentés dans le locus coeruléus et le NAc

Figure 8 : Les opiacés inhibent la PKA et réduisent l’activité de CREB, une compensation se développe avec l’intoxication chronique : les neurones sur-expriment l’adénylate cyclase et CREB. La première active, grâce à l’AMPc, la PKA qui phosphoryle CREB.

            Le locus coeruléus est le principal noyau noradrénergique cérébral qui par ses projections télencéphaliques stimule les processus d’attention et de vigilance et par ses projections descendantes commande les centres médullaires orthosympathiques. L’élévation de la synthèse de CREB et de l’AC sous l’effet des opiacés est responsable des symptômes physiques de la dépendance, symptômes impliquant la commande descendante sur les centre orthosympathique. En effet, chez des souris mutantes où le gène de CREB a été invalidé, le traitement chronique aux opiacés conduit à un état de dépendance à faible composante physique. D’autre part, le fonctionnement accru de la voie AC/CREB résulte en une augmentation de la synthèse de la tyrosine hydroxylase qui régule le taux de production de noradrénaline dans le locus coeruléus. Ainsi, les opiacés renforcent, par le mécanisme de compensation, la neurotransmission noradrénergique en assurant une forte production de ce neurotransmetteur.

            L’hyperfonctionnement du circuit AC/AMPc/CREB dans le NAc compense non seulement les effets des opiacés mais aussi de l’alcool, de la cocaïne et des amphétamines sur ce système de transduction. Ces observations ne sont pas surprenantes car d’une manière directe (pour les opiacés) ou indirecte (pour l’alcool, la cocaïne et les amphétamines) toutes ces molécules provoquent la stimulation de récepteurs métabotropiques couplés aux protéines inhibitrices Gi : les récepteurs aux opiacées µ, d, k stimulent Gi alors que les autres drogues renforcent la libération de dopamine qui se fixe sur des récepteurs D2 (ou D2 –like) associés à Gi. A un niveau de fonctionnement plus intégré, il est démontré chez le rat que la stimulation de la synthèse de l’AMPc, par voie neurochimique (administration stéréotaxique, dans le NAc de forskoline, un activateur de l’AC) ou par gain de fonction avec un « transgène » permettant de sur-exprimer CREB, diminue l’effet hédoniste de la cocaïne, des opiacés et du sucrose (un stimulant naturel du circuit de renforcement. Cette chute de l’effet « récompense » se traduit par une diminution de l’auto-administration de drogue. Inversement l’invalidation du gène de CREB potentialise l’activation du circuit de récompense par les drogues. De plus, des expériences similaires de perte et de gain de fonction sur le circuit de signalisation AMPc/CREB produisent des effets anti-dépresseurs et dépresseurs, réciproquement (l’état dépressif d’une souris est estimé par le test comportemental de la fuite ou test de l’impuissance: l’animal subit un stress important sans pouvoir s’y soustraire, le lendemain on renouvelle le stress en laissant une possibilité de fuite à l’animal ; un animal normal fuit mais un animal déprimé est incapable de générer un comportement de fuite). De fait, l’action dépressante de l’hyperfonctionnement de AMPc/CREB implique ce système de signalisation intracellulaire dans la dysphorie survenant lors de l’abstinence.

            L’analyse des modifications moléculaires induite par l’augmentation de la production de CREB indique que l’effet aversif (anti-hédoniste) et la dysphorie mentionnés ci-dessous sont provoqués par une élévation de la synthèse de dynorphine dans le NAc. Le gène codant pour la dynorphine étant doté d’un promoteur à séquence CRE, l’activation du système AMPc/CREB stimule la production de cet opiacé endogène. La libération de dynorphine s’en trouve renforcer sur la terminaison et le soma des neurones de l’ATV. A ce niveau la dynorphine se fixe sur des récepteurs k qui inhibent la libération de dopamine dans le NAc, par les neurones de l’ATV. Le rétrocontrôle du NAc sur l’ATV, ainsi augmenté, freine le circuit de récompense et produit une aversion sous-jacente à la réduction de l’effet hédoniste et à la dysphorie observée lors de toxicomanie chronique.

Figure 9 : L’adaptation neurale à l’inhibition de l’adénylate cyclase et de CREB conduit à une élévation de la synthèse de dynorphine et à une amplification du rétrocontrôle négatif exercé par les neurones épineux moyens sur les neurones dopaminergiques. D’après Chao et Nestler, Ann. Rev. Med. 2004, 55, 113-32.

3-Fonctionnement du facteur transcriptionnel DFosB. Cette protéine appartient à une famille de plusieurs protéines (cFos, DFosB, Fra1 et 2) dont l’expression est induite dans la cellule rapidement après sa stimulation par des molécules extracellulaires (neurotransmetteurs, facteurs de croissances, hormones). Les gènes codant pour de telles protéines sont qualifiés de gènes précoces (immediate early genes) impliqués dans tous les phénomènes fondamentaux de la cellule : prolifération, migration, survie, différenciation, apoptose…

            A l’image du fonctionnement de CREB, l’action transcriptionnelle des protéines de la famille Fos est accompli par la formation d’un complexe protéique agissant au niveau de la séquence promoteur du gène cible. Ici, le complexe activateur n’est pas un homo-dimère mais un hétéro-dimère composé de Fos et d’un autre facteur de transcription codé par un gène précoce, Jun. L’association de Fos et Jun constitue le complexe AP1 (activator protein 1) qui se lie avec une grande affinité sur la séquence récepteur du promoteur (aussi appelé élément de réponse). Au dimère AP1 s’ajoutent ensuite diverses autres protéines impliqués dans la régulation de la transcription qui permettent, ou non, le recrutement d’ARN polymérases de la « TATA boxe » du gène cible. Il faut souligner, ici, qu’à la différence de CREB qui stimule la transcription, Fos et son complexe protéique exercent une double régulation sur le génome : Fos peut induire la synthèse d’un ARNm donné et réprimer la production d’un autre ARNm dans une même cellule (Figure 10).

            De part l’importance du rôle régulateur de Fos (ou AP1) sur l’expression des protéines et les conséquences physiologiques de ces expressions dans les phénomènes cellulaires fondamentaux (prolifération, migration, survie, différenciation, apoptose), Fos n’est pas présent dans la cellule au repos. Sa production n’est réalisée qu’à la suite d’un signal extracellulaire (facteur de croissance, neurotransmetteur…) reçu par un récepteur métabotropique tyrosine-kinase qui active la voie de transduction des MAP kinases (Figure 10). Après son action, Fos est dégradé mais le contrôle du fonctionnement d’AP1 ne s’arrête pas là. En effet, l’activité de Jun est également régulée par un cycle de phosphorylation/déphosphorylation dont l’étape ultime d’activation est réalisée par le système de signalisation intracellulaire de la kinase JNK (Jun NH2 terminal kinase). Ce système étant mis en jeu par la stimulation de récepteurs tyrosine-kinase (Figure 10).

 

Figure 10 : Shéma simplifié décrivant l’activation de la synthèse de Fos par les récepteurs tyrosine-kinases couplés à la protéine G Ras, le contrôle de l’activité de Jun par un jeu de phosphorylation et déphosphorylation et le mode d’action transcriptionnel du complexe AP1 (Fos+Jun)

 

4- Implication de DFosB dans la dépendance. L’exposition aiguë à une drogue comme la morphine ou la cocaïne (2 drogues appartenant à des groupes de stupéfiants pharmacologiquement distincts) provoque la synthèse des protéines Fos (cFos, Fra1 et 2 et DFosB) dans le NAc (Figure 11). Cette production de facteur de transcription est transitoire puisque, en l’espace de 12 heures, les protéines Fos ont disparu (comme dans les cellules au repos) à l’exception de DFosB qui reste présente en faible quantité dans la cellule. Le facteur de transcription DFosB est très stable puisque sa ½ vie cellulaire est de l’ordre de quelques semaines. Lorsque la consommation de toxine entre dans un mode abusif, l’intoxication répétée induit une accumulation qui devient graduellement importante dans le NAc (Figure 11).

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Figure 11 : Impacte d’une drogue sur la production des facteurs de transcription Fos. A la suite d’une intoxication aiguë (en haut) la synthèse des protéines cFos, Fra 1 et 2 est accrue de manière importante mais transitoire dans le Nac. La production de DFosB ne répond que faiblement à l’effet de la drogue. Cependant, l’augmentation modeste de la synthèse de DFosB est soutenue dans le temps. Avec la répétition des prises de drogues en usage chronique (en bas) la persistance de petites quantités de DFosB, liée à l’effet aigu de la drogue, conduit à une importante accumulation de DFosB. De fait et contrairement aux conditions physiologiques, même au repos DFosB est présent dans les cellules du Nac. D’après Nestler, Nat Rev Neurosci. 2001 2, 119-28.

Une telle accumulation de DFosB est suffisante pour réguler à long terme l’expression de gènes dont les produits joueraient un rôle dans le maintien de la dépendance. Ceci semble d’autant plus probable que l’élévation de la synthèse de DFosB dans le NAc est un événement commun aux intoxications chroniques à la cocaïne, les amphétamines, les opiacés, la nicotine, l’alcool ou encore la PCP (phencyclidine). Une telle accumulation de ce facteur de transcription est spécifique au NAc et n’a pas été observé dans un grande proportion dans d’autres structures du circuit de renforcement que sont le cortex préfrontal et l’amygdale (Ce type de différence est peut être à mettre en parallèle avec le fait que dans la toxicomanie, l’hyperfonctionnement électrophysiologique du NAc n’est pas compensé par un contrôle cortico-limbique, ceci en partie due à un dysfonctionnement du cortex préfrontal, voir plus bas § « modifications structurales dans le circuit de renforcement »). Au niveau cellulaire, l’accumulation de DFosB dans les neurones du NAc est spécifique aux neurones gabaergiques qui utilisent en plus la dynorphine, c’est à dire les principaux acteurs du contrôle motivationnel. L’autre grande sous-population de neurones gabaergiques utilise comme neuromodulateur les enképhalines, et ne modifie pas à long terme de l’expression des protéines Fos en réponse aux stupéfiants. En somme, les neurones du NAc qui subissent une sur-expression de DFosB sont également ceux qui présente une sur-activité de CREB lors de l’exposition chronique aux drogues.

            La conséquence fonctionnelle de cette teneur anormalement soutenue en DFosB a été recherchée par le biais de souris transgéniques qui sur-expriment DFosB sélectivement dans le NAc. Ces souris montrent une sensibilisation motrice à la cocaïne accrue dans les tests de préférence de place et une augmentation d’effet « récompense » de la cocaïne et de la morphine dans des tests d’auto-administration qui traduisent la motivation à produire un comportement toxicomaniaque. Il apparaît donc que l’accumulation de DFosB conduit à la synthèse dans un 2ème temps de protéines amplifiant de l’impact de drogues sur le circuit de renforcement, d’où une motivation plus forte pour la consommation de drogue. DFosB régulerait l’expression de différents gènes sous-jacent à un comportement compulsif.

            Ce lien avéré entre la sur-production de DFosB et la dépendance nécessite l’identification des gènes cibles du complexe AP-1 qui expliqueraient à l’échelle moléculaire les effets comportementaux mis en évidence grâce aux souris transgéniques. C’est précisément avec l’aide ces dernières qu’il a été découvert que la sur-expression de DFosB conduit à une synthèse renforcée d’une sous-unité du récepteur glutamatergique AMPA, la sous-unité GluR2, dont le gène contient un site de liaison pour DFosB dans sa séquence promoteur. Cette sous-unité réduit notoirement la perméabilité calcique du récepteur ionotropique AMPA lui conférant alors un pouvoir dépolarisateur restreint (un récepteur AMPA dépourvu de sous-unité GluR2 est perméable au Na+ et au Ca2+ ce qui lui permet de dépolariser fortement le neurone). La sur-expression dans le NAc de la protéine GluR2 réduirait la capacité des neurones à répondre aux excitations glutamatergiques émanant du cortex et de l’hippocampe (Figure 12). Comme les drogues agissent sur le NAc en réduisant l’activité des neurones, la baisse de l’excitabilité de ces neurones liées à une perméabilité calcique amoindrie concourt à rehausser l’effet des stupéfiants. D’ailleurs dans le NAc, la sur-expression par voie virale de GluR2 produit le même phénotype comportemental que la sur-expression de DFosB : augmentation de l’effet « récompense » des drogues et de la sensibilisation motrice à la cocaïne.

            La dynorphine, qui assure un rétrocontrôle négatif sur les neurones dopaminergiques de l’ATV, est codée par un gène possédant un site de liaison pour AP1 dans son promoteur. Sous l’effet de DFosB, la synthèse de cet opiacé endogène est réduite. Le freinage du circuit de renforcement perdant ainsi de son efficacité (Figure 12), l’impact des drogues sur le circuit de renforcement et la dépendance s’en trouve amplifiés, à l’instar des effets de la sur-expression de DFosB. Il est à noter que dans le cas précis de la production de dynorphine, DFosB et CREB jouent des rôles de régulateurs antagonistes (voir plus haut pour CREB).

            Une troisième cible de DFosB est l’enzyme Cdk5 (cyclin-dependente kinase 5) qui est sur-exprimée dans le NAc après une exposition chronique à la cocaïne et dont le gène contient un site de liaison pour AP1. La conséquence de ce phénomène sur la physiologie du circuit de renforcement est une altération de la signalisation intracellulaire liée à l’activation des récepteurs D1 de la dopamine (pour rappel, à l’inverse des récepteurs D2, ces récepteurs induisent des influx excitateurs en activant la synthèse de l’AMPc et en stimulant la PKA ; cette dernière phosphoryle les canaux Na+ et K+ ce qui accroît les courants Na+ et réduit les courant K+, d’où une excitation neuronale). Par une action indirecte, Cdk5 inhibe la PKA, ce qui diminue l’état de phosphorylation des canaux ioniques et hyperpolarise le neurone par une réduction des courants Na+ et une élévation des courants K+ (Figure 12). Dans le détail, la kinase Cdk5 phosphoryle une protéine nommée DARPP-32 qui devient alors capable d’inhiber la PKA. L’inhibition du système de transduction des récepteurs D1 rehausse l’impact des drogues sur le circuit de récompense en restreignant la neurotransmission dopaminergique aux seuls récepteurs inhibiteurs D2 (neurotransmission dopaminergique renforcée dans la NAc par toutes les drogues qui stimulent la libération de dopamine.)

Figure 12. Conséquence fonctionnelles de l’induction à long terme de DfosB dans le NAc : La sur-expression de GluR2 bloque la perméabilité calcique au travers des récepteurs AMPA  et la sur-expression de CdK5 inhibe la PKA. Ces deux évènements réduisent l’excitabilité des neurones. De plus, la répression de la synthèse de dynorphine réduit le rétrocontrôle négatif exercé sur l’ATV.

IV- ModificationS STRUCTURALES DANS LE CIRCUIT DE RENFORCEMENT.

            Les changements persistants observés au niveau comportemental et psychologique dans le cadre de la toxicomanie peuvent être rapprochés, d’un point de vue théorique, de ceux liés à l’apprentissage et la mémoire. Comme ces derniers sont associés à une réorganisation des connections synaptiques (appelée aussi plasticité structurale), la possibilité que les intoxications chroniques remodèlent les contacts synaptiques dans le circuit de renforcement a été étudiée dans l’ATV, le NAc et le cortex préfrontal de rat.

            1) Atrophie neuronale dans l’ATV. Concernant le noyau dopaminergique de l’ATV, la morphine en usage chronique cause une diminution de la taille du soma neuronal et du calibre des fibres nerveuses (Figure 13). Cet effet est spécifique au neurones dopaminergiques et s’accompli via l’activation par la morphine des récepteurs aux opiacés endogènes. En effet, les impacts morphologiques de la morphine sont bloqués par des antagonistes spécifiques (naloxone et naltrexone) de ces récepteurs. De plus, ces atteintes somatiques sont prévenues par l’administration concomitante de BDNF (brain derived neurotrophic factor, Figure 13), une neurotrophine présente de manière endogène dans l‘ATV.

 

Figure 13 : Effet de la morphine sur les neurones dopaminergiques de l’ATV . Le traitement chronique à la morphine induit une diminution de la taille du corps cellulaire des neurones de l’ATV. Cette réduction somatique est bloquée par l’administration du facteur de croissance neurotrophique BDNF lorsqu’il est appliqué en même temps que la morphine. En A : 2 neurones normaux, B : 2 neurones traités à la morphine, C : neurone traité au BDNF et D neurone traité au BDNF et à la morphine. Sklair-Tavron et al ., 1996, Proc Natl. Acad. USA. 93, 11202-11207.

D’autre part, des modifications protéiques affectent également l’ATV dans les toxicomanies aux opiacés et à l’alcool : (1) une réduction de la teneur neuronale en neurofilaments qui sont des composants majeurs du cytosquelette somatique et axonal, (2) une augmentation de la quantité de tyrosine hydroxylase dans le soma (la tyrosine hydroxylase est l’enzyme clé de la synthèse de la dopamine, effet résultant aussi de l’usage de cocaïne) sans que cette augmentation n’apparaisse dans la terminaison axonique et (3) une sur-expression de la protéine GFAP (glial fibrillary acidic protein) par les astrocytes de l’ATV témoignant d’une hyperplasie gliale. Ces changements dans la synthèse protéines sont liés de près ou de loin à l’atrophie neuronale dopaminergique car une réduction de la teneur en neurofilaments peut conduire à une diminution de la taille du corps cellulaire et du calibre axonal (figure bonalos et nesler). De plus, ces filaments protéiques participent au transport axonal qui est en particulier nécessaire à l’acheminement de la tyrosine hydroxylase du soma, où elle est produite, vers la terminaison synaptique où elle synthétise la dopamine. Aussi, un déficit en neurofilaments altère le transport axonal, la tyrosine hydroxylase n’est plus véhiculée efficacement et s’accumule dans le soma. C’est ce qui est décrit suite à l’usage chronique d’opiacés, d’alcool et de cocaïne (Figure 14). Une carence en tyrosine hydroxylase dans la terminaison synaptique induit une production amoindrie de la dopamine et donc plus faible transmission dopaminergique. Enfin, la sous-expression des neurofilaments et la sur-expression de la GFAP sont des signes connus de souffrance tissulaire dans le système nerveux central lors de traumatisme ou lors de perte du soutien trophique apporté par les neurotrophines. Ces observations moléculaires, associées au fait que l’atrophie des neurones intoxiqué par la morphine est prévenue par le BDNF, ont conduit les chercheurs à tester l’action de cette neurotrophine sur les dérèglements biochimiques décrits ci-dessus. De fait, l’administration dans l’ATV de BDNF ou de NT4 (neurotrophine 4 un autre ligand du récepteur TrkB du BDNF) empêche la sur-expression de GFAP et l’accumulation de tyrosine hydroxylase malgré une intoxication chronique à la morphine ou à la cocaïne. Ces effets sont spécifiques car en absence de toxicomanie, l’administration de BDNF ne modifie pas les propriétés biochimiques dans l’ATV.

Figure 14 : Représentation schématique des altérations morphologiques et fonctionnelles affectant les neurones dopaminergiques de l’ATV à la suite d’une intoxication chronique. En haut, un neurone normal, en bas un neurone intoxiqué présente une réduction de sa teneur en neurofilaments qui cause une réduction de la taille du corps cellulaire et du calibre de l’axone, ainsi qu’un déficit dans le transport axonique. Ce déficit s’illustre par une accumulation de tyrosine hydroxylase dans le soma qui induit une production de dopamine anormale dans cette région du neurone. La dopamine libérée par voie non-synaptique peut activer des récepteurs D2 portés par les neurones de l’ATV et inhiber, plus avant, le fonctionnement des neurones. Cette inhibition, de concert avec un appauvrissement de la synthèse de dopamine dans la terminaison axonique affaiblie notoirement l’influx dopaminergique dans le NAc. (Bolanos & Nestler, Neuromolecular Med. 2004;5:69-83)

Le fait que le BDNF empêche ou restaure l’atrophie neuronale et les dérèglements biochimiques résultant de l’abus de drogue indique que ces effets délétères seraient, pour partie, dus à une perturbation de l’action des neurotrophines. L’effet protecteur du BDNF est médié par des récepteurs tyrosine-kinases TrkB capables, entre-autre, d’activer la voie de signalisation des MAPK (voir plus haut), dont le rôle dans des processus de plasticité synaptique a été démontré dans l’hippocampe. Sachant enfin que la voie de transduction des MAPK est diversement affectée par la morphine, la cocaïne et l’alcool dans le cerveau, il est probable que l’atrophie somatique des neurones de l’ATV soit liée à une perturbation de cette signalisation intracellulaire. Une telle perturbation résulterait en l’altération du soutien trophique que le BDNF apporte aux neurones dopaminergiques (il est a noté, par exemple, qu’en culture cellulaire, le BDNF supporte la survie des neurones dopaminergiques mésencéphaliques).

 

            2) Plasticité structurale dans le NAc et le cortex préfrontal. En remontant le long du circuit de renforcement, on constate que l’usage chronique de drogue induit de la plasticité dans le NAc et le cortex préfrontal (pour rappel, le cortex préfrontal est à l’instar du NAc une cible de l’innervation dopaminergique de l’ATV mais également une cible de l’innervation glutamatergique du système limbique et d’interneurones corticaux; enfin, le cortex préfrontal produit en retour une innervation glutamatergique sur le NAc). Dans ces deux structures cérébrales, les neurones épineux moyens (medium spiny neurones) du NAc et les neurones pyramidaux du cortex possèdent une arborisation dendritique très importante qui reçoit dans sa partie distale (par rapport au soma) environ 90 % d’influx glutamatergiques et dopaminergiques, donc d’influx corticaux-limbiques et mésencéphaliques, respectivement. Les éléments postsynaptiques de l’arborisation dendritique distale qui se connectent avec les terminaisons présynaptiques à glutamate et dopamine sont particulières : elles forment des bourgeons le long du dendrite que l’on nomme épines dendritiques (d’ou le nom des neurones du NAc). C’est précisément au niveau des épines dendritiques que de la plasticité synaptique est réalisée lors d’apprentissages, de processus mnésiques, de récupération fonctionnelle post-traumatique et à la suite d’un usage abusif de stupéfiants.

            Chez le rat, l’intoxication prolongée à la morphine réduit de manière significative la densité d’épines dendritiques dans l’arborisation distale des neurones épineux moyens du NAc et des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. Inversement, les excitants psychomoteurs que sont les amphétamines, la cocaïne et la nicotine augmentent la densité synaptiques dans ces mêmes régions cérébrales (Figure 15). L’étude au long court de cette plasticité synaptique médiée par les stupéfiants révèle que chez le rat les altérations dendritiques persistent jusqu’à 3 mois ½ après la dernière prise de drogue. Passé ce délai, les changements structuraux comme les divers comportements toxicomaniaques de la dépendance ne sont plus détectables. Cependant, à l’échelle de la vie du rat, les modifications synaptiques perdurent pendant environ 12.5 % de l’existence de l’animal. Extrapolées à l’homme, ces données suggèrent que les drogues peuvent affecter les connexions neuronales pendant au moins 10 ans après le sevrage. Ce constat est à rapprocher du fait que chez les grands toxicomanes sevrés, le conditionnement environnement est fonctionnel pendant de nombreuses années. Au cours de cette longue période d’abstinence, un signal environnemental est toujours apte à déclencher une crise de manque qui incitera l’ex-toxicomane à rechuter.

 

Figure 15 : Effets de la cocaïne et des amphétamines sur les dendritiques des neurones du NAc. A gauche, reproduction en « camera lucida » de neurones du NAc de rat dans les conditions normales et près intoxications chroniques aux amphétamines et à la cocaïne. Le nombre de ramifications dendritiques est donné en bas à droite de chaque neurone. Un grossissement (1000X) d’un segment de dendrite montre, pour chaque neurone, les épines dendritiques dont le nombre sur une longueur de 10 µM est donné à droite du segment dendritique. A droite, le nombre total d’épines dendritiques est déterminé (A) dans les conditions standards (S) et après traitement aux amphétamines (A) et à la cocaïne (C). En B, le nombre d’épines à plusieurs têtes est donné. Il ressort de ces expériences que les psychostimulants augmentent l’arborisation dendritiques des neurones ainsi que la densité d’épines synaptiques dans la partie distale de l’arborisation dendritique. Robinson & Kolb, 1999, Eur. J. Neurosci. 11, 1598-1604.

            3) conséquences fonctionnelles. Les variations biochimiques et structurales apparaissant dans l’ATV après une intoxication chronique aux opiacés reflètent une diminution de l’activité dopaminergique dans le télencéphale qui pourrait participer à dysphorie profonde qui affecte les héroïnomanes. D’autre part, l’usurpation par les drogues des processus cellulaires et moléculaires normalement sous-jacents à la plasticité synaptique associée à l’apprentissage et la mémoire pose le problème des conséquences de ce détournement neurobiologique sur la psychophysiologie du toxicomane. Il est possible que la plasticité synaptique induite par les drogues interfère avec celle liée à l’expérimentation/apprentissage ou aux stimulations cognitives ou environnementales. Ainsi, lorsque l’on héberge des rats adultes dans un environnement riche, ce dernier stimule diverses structures cérébrales (incluant le cortex et le NAc) qui intègrent cette richesse environnementale par une augmentation de la densité des épines dendritiques et du nombre de synapses. La même expérimentation réalisée après un traitement chronique avec des psychostimulants montre que les drogues limitent ou occultent l’enrichissement synaptique liée à l’expérimentation d’un environnement stimulant. La toxicomanie interfère donc à long terme avec l’acquisition de compétences cognitives et comportementales nouvelles dont l’accomplissement est basée sur de la plasticité synaptique. La limitation persistante, par les drogues, de la capacité cérébrale à produire de nouvelles synapses ou à réorganiser les connexions existantes peut expliquer en partie les déficits neuropsychologiques dont souffrent les toxicomanes même après leur sevrage. Ces troubles cognitifs sont indicatifs de dysfonctionnement affectant le cortex frontal. Bien que ce champ d’investigation soit récent dans l’étude de la toxicomanie, il est déjà établi que l’usage chronique de psychostimulants et/ou d’hypnotique-sédatifs réduit à long terme les capacités d’apprentissages et de mémorisation, le pouvoir de concentration, le contrôle des comportements et des émotions, l’aptitude à prendre des décisions et de la capacité de jugement.

            Comme il a été mentionné plus haut, les neurones du NAc reçoivent sur leurs dendrites distales les influx excitateurs glutamatergiques du système cortico-limbique et les signaux dopaminergiques du mésencéphale. Les synapses glutamatergiques sont essentiellement établies sur la tête de l’épine dendritique alors que les synapses dopaminergiques sont localisées sur la tige de l’épine dendrite (Figure 16). Par cette connexion tripartite, l’innervation dopaminergique peut moduler à la hausse ou à la baisse les stimulations glutamatergiques que reçoivent les neurones épineux moyens. En effet, l’activation des récepteurs de type D1 potentialise l’excitation glutamatergique en participant à la dépolarisation de la post-synapse ; alors que la fixation de la dopamine sur les récepteurs de types D2 tempère l’impact excitateur en produisant une hyperpolarisation (voir plus haut la figure des récepteurs dopaminergiques). En conséquence, la modification de la densité des épines dendritiques par les opiacés et les psychostimulants ne peut pas être sans innocuité sur les processus d’intégration dopaminergique et glutamatergique par les neurones du NAc.

Figure 16 : Synapse tripartite entre les afférences cortico-limbiques, mésencéphalique et une épine dendritique d’un neurone épineux moyen du NAc. Les stimulations glutamatergiques cortico-limbiques sont reçues aux niveau de la tête des épines dendritiques dans l’arborisation distale des neurones du NAc (encart). Le glutamate se fixe sur des récepteurs ionotropiques AMPA-Kaïnate et NMDA et engendre une dépolarisation plus ou moins massive de l’épine. Les axones de l’ATV délivre la dopamine sur la tige de l’épine. Celle-ci renforce le signal glutamatergique en se liant à des récepteurs de type D1 qui produisent une dépolarisation par la phosphorylation des canaux ioniques. Par contre en agissant sur des récepteurs D2 hyperpolarisants, la dopamine s’oppose à l’effet du glutamate.

4) Mécanismes moléculaires de la plasticité structurale synaptique. La modification de la densité des épines dendritiques implique des processus de pousse neuritique et de pseudo-synaptogenèse comparable à ce que l’on connaît au cours du développement ou lors de processus d’apprentissage, de mémorisation.

Parmi les molécules impliquées ces remaniements de l’architecture neuronale se trouve une cible du facteur de transcription DfosB (lui-même sur-exprimé sous l’effets de drogues) : la kinase Cdk5. Cette kinase, dont la synthèse est rehaussée par les drogues, participe activement à l’augmentation de la densité des épines dendritiques induite par la cocaïne. En effet, l’administration d’un inhibiteur de la Cdk5, la roscotivine, conjointement à un traitement chronique à la cocaïne empêche l’accroissement de la densité des épines (Figure 17) ;démontrant ainsi le rôle de cette kinase dans le remodelage de l’arborisation dendritique lors d’intoxication aux stupéfiants.

 

Figure 17 : L’inhibition de la Cdk5 bloque la production d’épines dendritiques par la cocaïne. A, B, C, D sont des illustrations de dendrites du NAc de rat dans diverses conditions expérimentales : A contrôle non traité, B cocaïne seule, C roscovitine inhibiteur de Cdk5 seule, D cocaïne et roscovitine. E et F sont des quantifications du nombre d’épines compté le long de 10µm de dendrite distale dans deux régions du NAc, l’enveloppe (shell) et le cœur (core). Ces quantifications montrent que, par rapport aux conditions contrôles (Sal & PBS) la cocaïne (Coc & PBS) accroît la densité épineuse, que la roscovitine s’oppose à cet effet (Coc & Ros) sans avoir d’effet claire sur le contrôle (PBS & Ros). PBS : phosphate balanced saline. Norrholm et al., Neuroscience, 2003, 116, 19-22.

Le mécanisme morphogène par lequel la Cdk5 permettrait la pousse des épines reste inconnu, mais il est probable qu’il implique la phosphorylation de protéine du cytosquelette associées à cette pousse neuritique. De fait dans le cortex, la Cdk5 participe à l’organisation de l’arborisation des dendrites en jouant de manière indirecte sur le dynamisme des microtubules (via la phosphorylation de la protéine Tau associée à la tubuline) et des filaments d’actine.

            Les neurotrophines sont associées à la plasticité cérébrale et à la pousse neuritique aussi leurs implications dans la croissance des épines dendritiques a été investiguée ; d’autant plus que la neurotrophine BDNF est capable de prévenir les méfaits structuraux que la morphine provoque dans l’ATV (voir ci-dessus). Dans le circuit de récompense, les neurotrophines (BDNF et NT3) sont essentiellement produites par les neurones de l’ATV et les neurones du complexe cortico-limbiques. Ces deux sources de neurotrophines délivrent les facteurs de croissance dans le NAc qui possède les récepteurs tyrosine kinase appropriés TrkB et TrkC. Le complexe cortico-limbique reçoit également du BDNF des neurones de l’ATV. Enfin les neurones de l’ATV sont aussi sensibles aux neurotrophines (restauration des effets délétères des opiacés) puisqu’ils possèdent également les récepteurs TrkB et TrkC. (Figure 18)

 

Figure 18 : Les neurotrophines et le circuit de récompense. Le NAc reçoit des neurotrophines du cortex, du système limbique et de l’ATV. Le NAc produit du GDNF qu’il amène au niveau de l’ATV. Le BDNF, la NT3 et le GDNF réalisent leurs effets via leurs récepteurs spécifiques Trk B, TRK C et GRF réciproquement.

Si l’on a pas découvert d’altération concernant le BDNF et son récepteur dans le cadre de la toxicomanie, il est établie que les drogues modifient la cascade de signalisation intracellulaire en aval du récepteur TrK B dans le circuit ATV-NAc (Figure 19). Dans les conditions normales les récepteurs tyrosine kinases TrKB activent principalement les voies de transductions de la phospholipase C (PLC), de la PI3 kinase et de la MAP kinase. Ainsi la voie de la PI3K est inhibée par une inhibition de la protéine IRS qui assure le couplage entre TrK B et la PI3K. Découplée du récepteur la PI3K est inactivée. Inversement les drogues activent la MAPK, un effet qui est contré par l’administration BDNF exogène dans l’ATV ou d’inhibiteur de la MAPK. Dans ce dernier cas, l’inhibiteur s’oppose même aux effets additifs de la cocaïne. La morphine active aussi la voie de la PLC qui conduit à l’élévation du taux de calcium intracellulaire, un événement qui favorise la plasticité synaptique. D’autre part des expérience de sur-expression de la PLC dans l’ATV par transfert de gène potentialisent les effets comportementaux de la morphine. L ‘usage chronique de morphine ou de cocaïne dérègle les voies de signalisations du BDNF afin de déprogrammer des effets neurotrophiques fondamentaux aux profits d’effet addictif et les pérenniser en participant à la plasticité synaptique. Par exemple, on sait que le BDNF stimule l’expression du récepteur D3 (appartenant à la famille « D2-like ») de la dopamine et est donc possible que les drogues induisent leurs effets addictifs en utilisant ce phénomène de manière accrue car le blocage des récepteurs D3 réduit l’effet « récompense » de la cocaïne.

 

Figure 19 : Détournement des voies de signalisation intracellulaire du BDNF par les drogues. Les drogues (cocaïne et morphines) activent la PLC et la MAPK et découplent la PI3K du récepteur au BDNF. D’après Bolanos et Nestler, Neuromolecular Medicine, 2004, 5, 69-83.

            Le GDNF est une neurotrophine d’intérêt majeur dans l ‘ATV, il est essentiellement produit dans le NAc  et est le plus puissant facteur de survie et de différenciation des neurones dopaminergiques. Le GDNF se lie sur son récepteur GFR qui se dimérise avec son co-récepteur RET. Ce dernier a une activité tyrosine kinase mais n’a pas d’affinité pour le GDNF. En aval de l’activation de RET une multitude de kinases sont mise en action pour produire les effets neurotrophiques du GDNF. La morphine et la cocaïne inhibent l’activité kinase de RET sans altérer l’expression du GDNF dont l’action normal dans l’ATV s’en trouve réduite. Il s’en suit une augmentation de la sensibilité de l’ATV pour les drogues comme l’atteste le fait que les souris KO pour le gène du GDNF présentent une sensibilité accrue pour les drogues. En somme, le GDNF endogène participe à la régulation/freinage de l’effets des drogues sur le circuit de renforcement comme le suggère les effets de l’administration de GDNF dans l’ATV. Celle-ci empêche l’accumulation de tyrosine hydroxylase dans le soma des neurones (un effet de la morphine), bloque la capacité de la cocaïne et de l’alcool à accroître l’expression de la sous-unité 1 du récepteur au NMDA et enfin inhibe l’induction du facteur de transcription Dfos B.

            Concernant la neurotransmission glutamatergique, elle participe à la plasticité synaptique via les récepteurs NMDA qui, lorsqu’ils s’ouvrent à la suite d’une forte dépolarisation réalisée par d’autres récepteurs du glutamate (les récepteurs AMPA), permettent une entrée massive de Ca2+. Celle-ci active divers systèmes de transduction qui peuvent modifier l’expression génique ou l’activité de protéines préexistantes. Ces modifications affectent des facteurs de croissances, des protéines du cytosquelette, des molécules d’adhésions et une multitude d’autres protéines requises pour la formation de nouvelles synapse. (Figure 20)

 

Figure 20 : Schéma de principe de la plasticité synaptique induite par les influx glutamatergiques.

Cependant la conséquence majeur des changements intracellulaires porte sur des variations de l’efficacité de la transmission synaptique glutamatergique : une augmentation de l’efficacité est la potentialisation à long terme (LTP) alors qu’une baisse de l’efficacité est la dépression à long terme (LTD). Le principe de ces variations d’efficacité est de moduler la quantité de récepteurs AMPA fonctionnels dans la post-synapse : plus il y a de récepteurs intégrés à la membrane plus elle se dépolarisera facilement et par voie de conséquence plus les récepteurs NMDA s’ouvriront, ceci conduit à la LTP. Inversement, une l’élimination des récepteurs AMPA rend la post-synapse peut excitable, c’est la LTD. Les principaux acteurs de ces déplacements de récepteurs AMPA sont les kinases CAMKII (calcium calmoduline dependant kinase II) et la PKA (cAMP dependant kinase). Ces kinases catalyse la phosphorylation de la sous-unité GluR1 du récepteur AMPA ce qui permet l’insertion du récepteur dans la membrane synaptique. L’inhibition de cette phosphorylation s’oppose à cette insertion (Figure 21).

Figure 21 : La phosphorylation de GluR2 contrôle l’insertion des récepteurs AMPA dans la membrane et permet alors l’apparition de LTP en produisant une dépolarisation suffisamment importante pour ouvrir les récepteur-canaux NMDA. La déphosphorylation des récepteurs AMPA conduit à leur élimination de la membrane ce qui favorise la LTD.

Pour produire des changements comportementaux addictifs et durables, les drogues sont susceptibles d’altérer les influx glutamatergiques que reçoit le NAc Reste à savoir avec précision, comment les drogues agissent sur les influx glutamatergiques afin de les contraindre à fonctionner dans un mode électrophysiologique spécifique à l’installation une plasticité à visée addictive. En agissant sur la neurotransmission dopaminergique au niveau des synapses tripartites de l’arborisation dendritique du NAc, les drogues peuvent jouer sur la structure moléculaire de l’épine dendritique et détourner la plasticité synaptique glutamatergique afin d’orienter le circuit de renforcement vers un fonctionnement anormal toxicomaniaque. De fait, l’activation indirecte des récepteurs dopaminergiques par la cocaïne et les amphétamines module la LTP et la LTD dans l’ensemble du circuit de récompense (de l’ATV au cortex préfrontal). Les effets addictifs des psychostimulants sont bloqués par l’administration d’antagonistes glutamatergiques dans l’ATV et les neurones de l’ATV de souris traitées à la cocaïne de manière chronique présentent un enrichissement postsynaptique en récepteurs AMPA au niveau des synapse entre neurones dopaminergique et axones glutamatergiques du cortex préfrontal. Ces données ont été élargies à la morphine, l’alcool et la nicotine. Elles indiques que les drogues induisent de la LTP dans l’ATV afin de détourner le circuit de fonctionnement vers la dépendance toxicomaniaque. La corrélation entre LTP induite par les drogues et dépendance est confirmée par le fait que l’administration d’antagonistes NMDA bloque non seulement l’apparition de LTP dans l’ATV mais aussi empêche le développement d’un comportement dépendant vis à vis de la cocaïne. La conséquence de la LTP dans l’ATV est une élévation des influx dopaminergique dans le système méso-cortic-limbique permettant non seulement la dépendance mais aussi un mode d’apprentissage de cette dépendance relatif au conditionnement environnemental (capacité de signes environnementaux liés à la toxicomanie d’activer à eux seuls le circuit de renforcement) (Figure 22).

 

Figure 22 : La LTP engendrée par les drogues accroît la libération de dopamine qui altère alors le fonctionnement normal des synapses tripartites. Ceci permet la réalisation de plasticité structurale dans les épines dendritiques du NAc (et du cortex préfrontal) et l’établissement à long terme de la dépendance toxicomaniaque

Comment les drogues induisent de la LTP est encore obscure, seule la nicotine stimule directement la libération de glutamate, les autres drogues doivent influencer indirectement la plasticité glutamatergique par leurs actions sur la neurotransmission dopaminergique qui a un rôle modulateur dans le circuit de renforcement (du fait des 2 population de récepteurs « D1-like », excitateur, et « D2-like », inhibiteur). Un mécanisme connu est que les amphétamines bloquent la LTD dans l’ATV par l’intermédiaire de l’activation des récepteurs dopaminergiques D2. Ce blocage de la LTD, favorise l’excitabilité des neurone et l’apparition de la LTP. Ici il est important de préciser, qu’à la différence de autres régions cérébrales où la LTD est liée à une inhibition de la PKA, la LTD est liée à l’activité de la PKA dans l’ATV. Les récepteurs D2 inhibant la PKA, ils bloquent aussi la LTD.

Dans le NAc, les neurones sont normalement fonctionnellement quiescent, ils s’activent seulement en réponse à des excitations synchronisées, du fait de leur potentiel de repos oscillatoire (potentiel de repos bas ou haut, seul l’état « haut » permettant la dépolarisation et le déclenchement des potentiel d’action) (Figure 23).

 

Figure 23 : Le potentiel de repos des neurones du NAc oscille entre deux états de polarisation (haut à 55 mV et bas à 86 mV). A bas potentiel de repos, les neurones ne génèrent pas de potentiel d’action. Ce dernier ne peut apparaître qu’à haut potentiel et seulement si le neurone reçoit des influx excitateurs convergents du cortex et du système limbique et que ces influx sont corrélés temporellement. Des influx excitateurs optimum peuvent maintenir le potentiel de repos à un niveau haut pendant quelques secondes (Nicola et al. Annu Rev. Neurosci, 2000, 23, 185-215)

 La plasticité synaptique joue donc un rôle primordiale dans le fonctionnement du NAc en accroissant l’efficacité de la transmission excitatrice favorisant la création des potentiel d’action par les neurones du NAc via la LTP et inversement via la LTD. Concernant l’effet des drogues, le glutamate est indispensable à l’établissement du comportement toxicomaniaque (en particulier la recherche de drogues). La consommation chronique de cocaïne provoque une dépression de la transmission glutamatergique en réduisant les courants liées aux récepteurs AMPA mais aussi par un effet présynaptique : un appauvrissement en glutamate de la terminaison axonique.

Dans les conditions physiologiques, l’innervation dopaminergique amortie les influx glutamatergiques au niveau des synapses tripartites des épines dendritiques afin de réduire la LTP. Cette réduction est réalisée par l’inhibition de canaux voltage-dépendants postsynaptiques. L’intérêt physiologique est de filtrer les influx excitateurs en ne laissant « passer » que les plus importants engendrés par la simultanéité d’influx provenant des différentes régions du complexe cortex préfrontal-système limbique (concordance spatio-temporelle). Ainsi le NAc envoie au système moteur (striatum, cortex frontal, formation réticulée) des signaux motivationnels/aversifs appropriés pour réaliser un comportement moteur bénéfique. Cet amortisseur filtrant dopaminergique est perdu à la suite de l’exposition aux amphétamines permettant alors l’établissement de plasticité synaptiques anormale favorisant le détournement du système de renforcement vers la dépendance.

CONCLUSION

La dépendance toxicomaniaque est inscrite à long terme (plusieurs années après sevrage) dans le circuit de renforcement à cause de modifications structurales et moléculaires qui font fonctionner les contacts synaptiques dans un mode anormal.

Le système nerveux central tente de contrer les effets des drogues en sur-exprimant CREB et par l’action neurotrophique du GDNF, le principal facteur de survie et de différenciation des neurones dopaminergiques de l’ATV. Quant aux drogues, elles altèrent l’expression génique en sur-exprimant DFosB : les modifications de la synthèse protéique résultantes conduisent à une réduction de l’excitabilité des neurones du NAc et du rétro-contrôle qu’ils exercent via la dynorphine sur l’ATV. De plus, elles provoquent l’atrophie des neurones à DA de l’ATV et remodèlent les arborisations dendritiques dans le NAc et le cortex préfrontal en détournant la signalisation intracellulaire du BDNF et en abolissant la filtration DA de la LTP au niveau des synapses tripartites du NAc.

Il en résulte la création de synapses anormales vouées à maintenir à long terme l’état de dépendance par des effets structuraux mais aussi cognitifs (apprentissage et mémoire)

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